傳熱學綜合復習--第二版20141226(共28頁)

1、PAGE PAGE 35傳熱學總復習(fx)（第二(d r)版）一、概念(ginin)1熱流量：單位時間內所傳遞的熱量，單位？2熱流密度：單位傳熱面上的熱流量，單位？3時間常數：采用集總參數法分析時，物體中過余溫度隨時間變化的關系式中的具有時間的量綱，稱為時間常數。時間常數的數值越小表示測溫元件越能迅速地反映流體的溫度變化。4畢渥數：5傅里葉數：6Nu, Re, Pr, Gr準數：，表征壁面法向無量綱過余溫度梯度的大小，由此梯度反映對流換熱的強弱；，表征流體流動時慣性力與粘滯力的相對大小，Re的大小能反映流態(tài)；，物性準則，反映了流體的動量傳遞能力與熱量傳遞能力的相對大??；，表征浮升力與粘滯力的

2、相對大小，Gr表示自然對流流態(tài)對換熱的影響。7對流傳熱系數：單位時間內單位傳熱面當流體溫度與壁面溫度差為1K是的對流傳熱量，單位為W(m2K)。對流傳熱系數表示對流傳熱能力的大小。8溫度梯度：在等溫面法線方向上最大溫度變化率。9熱導率（導熱系數）：物性參數，熱流密度矢量與溫度降度的比值，數值上等于1 Km的溫度梯度作用下產生的熱流密度。熱導率是材料固有的熱物理性質，表示物質導熱能力的大小。導熱系數的變化規(guī)律？10導溫系數（熱擴散系數）：材料傳播溫度變化能力大小的指標。11穩(wěn)態(tài)導熱：物體中各點溫度不隨時間而改變的導熱過程。12非穩(wěn)態(tài)導熱：物體中各點溫度隨時間而改變的導熱過程。13傅里葉定律：在各

3、向同性均質的導熱物體中，通過某導熱面積的熱流密度正比于該導熱面法向溫度變化率。14保溫(隔熱)材料：0.12 W/(mK)(平均溫度不高于350時)的材料。15肋效率：肋片實際散熱量與肋片最大可能散熱量之比。16定解條件(單值性條件)：使微分方程獲得適合某一特定(tdng)問題解的附加條件，包括初始條件和邊界條件。17. 速度邊界層：在流場中壁面附近流速發(fā)生(fshng)急劇變化的薄層。如何(rh)量化？18. 溫度邊界層：在流體溫度場中壁面附近溫度發(fā)生急劇變化的薄層。如何量化？19吸收比：投射到物體表面的熱輻射中被物體所吸收的比例。20反射比：投射到物體表面的熱輻射中被物體表面所反射的比例。

4、21黑體：吸收比= 1的物體。22白體：反射比=l的物體(漫射表面)23灰體：光譜吸收比與波長無關的理想物體。24黑度：實際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值，即物體發(fā)射能力接近黑體的程度。25輻射力：單位時間內物體的單位輻射面積向外界(半球空間)發(fā)射的全部波長的輻射能。26角系數：從表面1發(fā)出的輻射能直接落到表面2上的百分數。角系數的特點？27. 斯蒂芬-波爾茨曼定律？28. 普朗克定律？29. 蘭貝特定律？30. 基爾霍夫定律（基?；舴蚨桑?1. 沸騰傳熱需要的條件？32. 大容器的飽和沸騰曲線區(qū)域？33. 對流傳熱的研究方法？34. 內部強制對流實驗關聯(lián)式？35. 外部強制對流實

5、驗關聯(lián)式？36. 大空間自然對流實驗關聯(lián)式？37. 膜狀冷凝的影響因素？38. 電磁波波譜對輻射傳熱的影響？39. 兩個漫灰表面組成的封閉系統(tǒng)輻射傳熱計算？40. 應用隔熱板隔熱原理二、填空，見一三、選擇，見一四、簡答1.導熱系數與熱擴散系數a（又稱為導溫系數）之間有什么區(qū)別和聯(lián)系。答：導溫系數與導熱系數成正比關系(a=/c)，但導溫系數不但與材料的導熱系數有關，還與材料的熱容量(或儲熱能力)也有關；從物理意義看，導熱系數表征材料導熱能力的強弱，導溫系數表征材料傳播溫度變化的能力的大小，兩者都是物性參數。2.一維平板非穩(wěn)態(tài)無內熱源常導熱系數導熱問題的導熱微分方程表達式。答：導熱微分方程的基本(

6、jbn)形式為：無內熱源(ryun)、導熱(dor)系數為常數時，非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程為： 一維平板非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程為：平板兩側都為第一類邊界條件為：平板兩側一側為第一類邊界條件，另一側為第二類邊界條件為：3.試說明集總參數法的物理概念？答：當固體內部的導熱熱阻遠小于其表面的換熱熱阻時，即當內外熱阻之比趨于零時，影響換熱的主要環(huán)節(jié)是在邊界上的換熱能力，內部由于熱阻很小因而溫度趨于均勻，以至于不需要關心溫度在空間的分布，溫度只是時間的函數。4.什么叫時間常數？試分析測量恒定的流體溫度時對測量準確度的影響。答：,具有時間的量綱，稱為時間常數，數值上等于過余溫度為初始過余溫度的36.8%時所經歷的時

7、間。越小，表示物體熱慣性越小，到達流體溫度的時間越短。測溫元件的時間常數大小對恒溫流體的測量準確度沒有影響，對變溫流體的測量準確度有影響，越小，準確度越高。5.溫度計套管測量流體溫度時如何提高測溫精度。答：溫度計套管可以看作是一根吸熱的管狀肋(等截面直肋)，利用等截面直肋計算肋端溫度th的結果，可得采用溫度計套管后造成的測量誤差t為t=tf-th=，其中，欲使測量誤差t下降，可以采用以下幾種措施：(1)降低(jingd)壁面與流體的溫差(tf-t0)，也就是(jish)想辦法使肋基溫度t0接近(jijn)tf，可以通過對流體通道的外表面采取保溫措施來實現；(2)增大(mH)值，使分母ch(mH

8、)增大。具體可以用以下手段實現：a）增加H，延長溫度計套管的長度；b）減小，采用導熱系數小的材料做溫度計套管，如采用不銹鋼管，不要用銅管。因為不銹鋼的導熱系數比銅和碳鋼??；c）降低，減小溫度計套管的壁厚，采用薄壁管；d）提高h增強溫度計套管與流體之間的熱交換。)參考教材page6.用熱電偶測定氣流的非穩(wěn)態(tài)溫度場時，怎樣才能改善熱電偶的溫度響應特性？答：要改善熱電偶的溫度響應特性可采取以下措施：1）盡量降低熱電偶的時間常數；2）在形狀上要降低熱電偶的體積與面積之比；3）選擇熱容小的材料；4）強化熱電偶表面的對流換熱。7.強化管內強迫對流傳熱的方法答：1）增加平均溫度差，如采取逆流換熱2）增加換熱

9、面積3）增加流體流速，增加流體擾動4）減小污垢熱阻5）采用導熱系數大的材料8.不凝性氣體影響膜狀凝結傳熱的原因？答：(1)含有不凝性氣體的蒸汽凝結時在液膜表面會逐漸積聚起不凝性氣體層，將蒸汽隔開，蒸汽凝結必須穿過氣層，使換熱熱阻大大增加；(2)隨著蒸汽的凝結，液膜表面氣體分壓增大，使凝結蒸汽的分壓降低，液膜表面蒸汽的飽和溫度降低，減少了有效冷凝溫差，削弱了凝結換熱。9.試用傳熱原理說明冬天可以用玻璃溫室種植熱帶植物的原理？答：可以從可見光、紅外線的特性和玻璃的透射比來加以闡述。玻璃在日光(短波輻射)下是一種透明體，透過率在90以上，使絕大部分陽光可以透過玻璃將溫室內物體(wt)和空氣升溫。室內

10、物體所發(fā)出的輻射(fsh)是一種長波輻射紅外線，對于長波輻射玻璃的透過率接近于零，幾乎是不透明(tumng)(透熱)的，因此，室內物體升溫后所發(fā)出的熱輻射被玻璃擋在室內不能穿過。玻璃的這種輻射特性，使室內溫度不斷升高。11.玻璃可以透過可見光，為什么在工業(yè)熱輻射范圍內可以作為灰體處理?答：可以從灰體的特性和工業(yè)熱輻射的特點論述。所謂灰體是針對熱輻射而言的，灰體是指吸收率與波長無關的物體。在紅外區(qū)段，將大多數實際物體作為灰體處理所引起的誤差并不大，一般工業(yè)熱輻射的溫度范圍大多處于2000K以下，因此其主要熱輻射的波長位于紅外區(qū)域。許多材料的單色吸收率在可見光范圍內和紅外范圍內有較大的差別，如玻璃

11、在可見光范圍內幾乎是透明的，但在工業(yè)熱輻射范圍內則幾乎是不透明的，并且其光譜吸收比與波長的關系不大，可以作為灰體處理。12.為什么說大氣中的C02含量增加會導致溫室效應?答：CO2氣體具有相當強的輻射和吸收能力，屬于溫室氣體。根據氣體輻射具有選擇性的特點，CO2氣體的吸收光帶有三段：2.65-2.8、4.15-4.45、13.0-17.0m，主要分布于紅外區(qū)域。太陽輻射是短波輻射，波長范圍在0.38-0.76m，因此，對于太陽輻射CO2氣體是透明的，能量可以射入大氣層。而地面向空間的輻射是長波輻射，主要分布于紅外區(qū)域，這部分輻射在CO2氣體的吸收光帶區(qū)段，CO2氣體會吸收能量，是不透明的。在正

12、常情況下，地球表面對能量的吸收和釋放處于平衡狀態(tài)，但如果大氣中的CO2含量增加，會使大氣對地面輻射的吸收能力增強，導致大氣溫度上升，導致所謂的溫室效應。參考教材page13.北方深秋季節(jié)的清晨，樹葉葉面上常常結霜，為什么?答：霜會結在樹葉的上表面。因為清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空的溫度低于攝氏零度，而地球表面溫度一般在零度以上。由于相對樹葉下表面來說，其上表面需要向太空輻射更多的能量，所以樹葉下表面溫度較高，而上表面溫度較低且可能低于零度，因而容易結霜。14.什么叫黑體、灰體和白體?它們分別與黑色物體、灰色物體、白色(bis)物體有什么區(qū)別?在輻射傳熱中，引入黑體與灰體有什么意

13、義?答：黑體：是指能吸收投入到其面上的所有熱輻射能的物體，是一種(y zhn)科學假想的物體，現實生活中是不存在的。但卻可以人工制造出近似的人工黑體?；殷w：單色發(fā)射率與波長無關的物體稱為灰體。其發(fā)射和吸收輻射(fsh)與黑體在形式上完全一樣，只是減小了一個相同的比例。根據黑體、白體、灰體的定義可以看出，這些概念都是以熱輻射為前提的?；疑⒑谏?、白色是針對可見光而言的。黑體、白體、灰體并不是指可見光下物體的顏色，黑體概念的提出使熱輻射的吸收和發(fā)射具有了理想的參照物?；殷w概念的提出使吸收率的確定及輻射換熱計算大為簡化，具有重要的作用，實際物體在紅外波段范圍內可近似地視為灰體。15.說明用熱電偶測量

14、高溫氣體溫度時，產生測量誤差的原因有哪些?可以采取什么措施來減小測量誤差?答：用熱電偶測量高溫氣體時，同時存在氣流對熱電偶換熱和熱電偶向四壁的輻射散熱兩種傳熱情況，熱電偶的讀數即測量值小于氣流的實際溫度產生誤差。所以，引起誤差的因素：煙氣與熱電偶間的復合換熱量??；熱電偶與爐膛內壁間的輻射換熱量大。減小誤差的措施：減小煙氣與熱電偶間的換熱熱阻，如抽氣等；增加熱電偶與爐膛間的輻射熱阻，如加遮熱板；設計出計算誤差的程序或裝置，進行誤差補償。參考教材page16.導熱問題數值求解的基本步驟。Page16317.內節(jié)點和邊界節(jié)點：外部角點、內部角點、平直邊界上熱平衡離散方程的建立169五、模型1.平板(

15、pngbn)無內熱源(ryun)，為常數(chngsh)，穩(wěn)態(tài)導熱兩側均為第一類邊界條件數學描述:t2t10 xt對微分方程直接積分兩次，得微分方程的通解利用兩個邊界條件，將兩個積分常數代入原通解，可得平壁內的溫度分布如下如右圖所示，為線性分布。2.無內熱源，為常數，穩(wěn)態(tài)導熱，一側為第一類邊界條件，另一側為第二類或第三類邊界條件。此時導熱微分方程式不變，平壁內部的溫度分布仍是線性的，只是t2未知。壁面上的溫度t2可由邊界條件確定另一側為第二類邊界條件另一側為第三類邊界條件3.無內熱源，變導熱(dor)系數， 穩(wěn)態(tài)導熱(dor)，兩側(lin c)均為第一類邊界條件。數學描述:利用邊界條件最后得

16、溫度分布為拋物線形式：當b0，=0(1+bt)，隨著t增大，增大，即高溫區(qū)的導熱系數大于低溫區(qū)。所以高溫區(qū)的溫度梯度dt/dx 較小，而形成上凸的溫度分布。當b0，情況相反。如圖所示。 4.有均勻內熱源穩(wěn)態(tài)導熱，為常數，兩側均為第一類邊界條件。數學描述:對微分方程直接積分兩次，得微分方程的通解利用兩個邊界條件，得到(d do)，得到(d do)將兩個積分常數(chngsh)代入原通解，可得平壁內的溫度分布如下5.通過多層平壁的導熱，兩側均為第一類邊界條件。在穩(wěn)態(tài)、無內熱源的情況下，通過各層的熱流量相等。熱流量也等于總溫差比上總熱阻。如圖所示當厚度相等時，斜率大，溫差大，材料導熱系數小。 ， 6

17、.通過單層圓筒壁的導熱(無內熱源，為常數，兩側均為第一類邊界條件)數學描述: 積分上面的微分方程兩次得到其通解為:利用兩個邊界條件，得到(d do)，將兩個積分(jfn)常數代入通解，得圓筒壁內的溫度(wnd)分布如下：，溫度分布是一條對數曲線。圓筒壁內溫度分布曲線的形狀？；。通過圓筒壁的熱流量為7.多層圓筒壁由不同材料構成的多層圓筒壁，其導熱熱流量可按總溫差和總熱阻計算。為通過單位長度圓筒壁的熱流量。8.單層圓筒壁，第三類邊界條件，穩(wěn)態(tài)導熱。9.多層圓筒壁，第三類邊界條件，穩(wěn)態(tài)導熱(dor)。10.試由導熱微分方程出發(fā)，導出通過有內熱源的空心柱體的穩(wěn)態(tài)導熱熱量計算式及壁中的溫度(wnd)分布

18、。為常數(chngsh)。解：有內熱源空心圓柱體導熱系數為常數的導熱微分方程式為r0rwt0twr = r0, t=t0；r = rw, t = tw經過積分得代入邊界條件得區(qū)別于page74具有內熱源的圓柱體導熱（如下題11）（通解(tngji)一樣，但已知條件不同，邊界條件不同）11.通過含內熱源實心(shxn)圓柱體的導熱 對上面的微分方程積分(jfn)兩次，得到： 進一步利用兩個邊界得出圓柱體內的溫度分為： 由傅里葉定律可得出壁面處的熱流量：12.內、外半徑分別為r1、r2，球殼材料的導熱系數為常數，無內熱源，球殼內、外側壁面分別維持均勻恒定的溫度t1、t2。溫度分布:熱流量:13.金

19、屬實心長棒通電加熱,單位長度的熱功率(gngl)等于l(單位是W/m)，材料(cilio)的導熱系數，表面(biomin)發(fā)射率、周圍氣體溫度為tf，輻射環(huán)境溫度為Tsur，表面?zhèn)鳠嵯禂礹均已知，棒的初始溫度為t0。試給出此導熱問題的數學描述。解：此導熱問題的數學描述 2tw2tw114.一厚度為2的無限大平壁，導熱系數為常量，壁內具有均勻的內熱源(單位為W/m3)，邊界條件為x0，t=tw1；x=2，t=tw2；tw1tw2。試求平壁內的穩(wěn)態(tài)溫度分布t(x)及最高溫度的位置xtmax，并畫出溫度分布的示意圖。解：建立數學描述如下：，對微分方程直接積分兩次，得微分方程的通解利用上述兩個邊界條件

20、，得到，得到將兩個積分常數代入原通解，可得平壁內的溫度分布如下?lián)傻米罡邷囟?wnd)的位置xtmax，即(參考(cnko)4)15.一塊(y kui)厚為2的無限大平板，初始溫度為t0，在初始瞬間將它放置于溫度為t的流體中，流體與板面間的換熱系數為h，求t=f(x,)。解：導熱微分方程為xt初始條件為邊界條件為16.一塊無限大平壁，厚為，左側絕熱，右側與某種流體進行對流換熱，表面換熱系數為h，流體溫度為tf。平壁本身具有均勻的內熱源 ，求平壁中的溫度分布、t1及t2（傳熱是穩(wěn)定的）17.導熱問題的完整數學描述(mio sh)：導熱微分方程 + 定解條件0 xtw2tw1常見(chn jin)

21、的邊界條件有三類： 1.第一類邊界(binji)條件:指定邊界上的溫度分布。0 xqw2.第二類邊界條件:給定邊界上的熱流密度。0 xhqwtf3.第三類邊界條件:給定邊界面與流體間的換熱系數和流體的溫度。牛頓冷卻定律：傅里葉定律：第三類邊界條件:六、計算(j sun)1.Page61例題(lt)2-62.Page122例題(lt)3-23.Page152，習題3-6一初始溫度為t0的物體，被置于室溫為t的房間中。物體表面的發(fā)射率為，表面與空氣間的換熱系數為h。物體的體積為V，參與換熱的面積為A，比熱容和密度分別為c及。物體的內熱阻可忽略不計，試列出物體溫度隨時間變化的微分方程式。解：由題意知

22、，固體溫度始終均勻一致，所以可按集總熱容系統(tǒng)處理。 固體通過熱輻射散到周圍的熱量為： 固體通過對流散到周圍的熱量為： 固體散出的總熱量等于其焓的減小 即 4.Page153，習題3-12一塊單側表面積為A、初溫為t0的平板，一側表面突然受到恒定熱流密度qw的加熱，另一側表面受到初溫為的氣流冷卻，表面?zhèn)鳠嵯禂禐閔。試列出物體溫度隨時間變化的微分方程式并求解之。設內阻可以不計，其他的幾何、物性參數均已知。 解：由題意，物體內部熱阻可以忽略，溫度只是時間的函數，一側的對流換熱和另一側恒熱流加熱作為內熱源處理，根據熱平衡方程可得控制方程為: 引入過余溫度(wnd)則: 上述控制(kngzh)方程的解為

23、: 由初始條件有： ，故溫度(wnd)分布為: 5.Page153，習題3-13一塊厚20mm的鋼板，加熱到500后置于20的空氣中冷卻。設冷卻過程中鋼板兩側面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂禐椋摪宓膶嵯禂禐?5W/(mK)，熱擴散系數為。試確定使鋼板冷卻到與空氣相差10所需的時間。解：以鋼板中心面為對稱面，因此鋼板的特征長度為0.01m。鋼板冷卻到與空氣相差10時，即為鋼板終態(tài)時的過余溫度10，即鋼板初始過余溫度為 首先檢驗Bi數： 0.1因此可以采用集總參數法鋼板冷卻到與空氣(kngq)相差10所需的時間(shjin)為3618秒。6.Page188習題(xt)4-9在附圖所示的有內熱源的二維導熱區(qū)

24、域中，一個界面絕熱，一個界面等溫（包括節(jié)點4），其余兩個界面與溫度為的流體對流換熱，h均勻，內熱源強度為。試列出節(jié)點1，2，5，6，9，10的離散方程式。解：節(jié)點1：；節(jié)點2：；節(jié)點5：；節(jié)點6：；節(jié)點9：；節(jié)點10：。6.Page288習題(xt)6-14常壓下空氣(kngq)在內徑為76mm的直管內流動，入口(r ku)溫度為65，入口體積流量為，管壁的平均溫度為180。求：管子多長才能使空氣加熱到115。（忽略短管效應）已知90下空氣的物性數據為： 65空氣，；115空氣解： 定性溫度相應的物性值為： 65時空氣，故進口質量流量：， 按強制湍流對流傳熱計算對流表面?zhèn)鳠嵯禂?空氣在115

25、時，65時，。故加熱空氣所需熱量為：所需管長為2.62m。7.page289習題6-25已知：冷空氣溫度為0，以6m/s的流速平行的吹過一太陽能集熱器的表面。該表面尺寸為，其中一個邊與來流方向垂直。表面平均溫度為20。 求：由于(yuy)對流散熱而散失的熱量。解：10空氣(kngq)的物性 8.熱處理工藝中，常用(chn yn)銀球來測定淬火介質的冷卻能力。今有兩個直徑均為20mm的銀球，加熱到650后分別置于20的靜止水和20的循環(huán)水容器中。當兩個銀球中心溫度均由650變化到450時，用熱電偶分別測得兩種情況下的降溫速率分別為180s及360s。在上述溫度范圍內銀的物性參數10500 kgm

26、3，Cp2.62102J(kgK)，360w(mK)。試求兩種情況下銀球與水之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?。解：本題表面?zhèn)鳠嵯禂滴粗?，即Bi數為未知參數，所以無法判斷是否滿足集總參數法條件。為此先假定滿足集總參數法條件，然后驗算。(1) 對靜止水情形，由 且，驗算(yn sun)Bi數：滿足(mnz)集總參數條件。(2)對循環(huán)水情形(qng xing)，同理，按集總參數法計算，h = 3149x1.11/0.56 = 6299 W/(m2K)，因此不滿足集總參數法條件,改用諾謨圖。此時，。查諾謨圖得，故：9.一雙層玻璃窗，寬1.2m，高1.5m，厚3mm，玻璃導熱系數為1.05W/(mK)；中間空氣層厚5

27、mm，假設空氣間隙僅起導熱作用，空氣導熱系數為0.026W/(mK)。室內空氣溫度為25。表面?zhèn)鳠嵯禂禐?0W/(m2K)；室外空氣溫度為-10，表面?zhèn)鳠嵯禂禐?5 W/(m2K)。試計算通過雙層玻璃窗的散熱量，并與單層玻璃窗相比較。假定在兩種情況下室內、外空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂迪嗤＝猓?1)雙層玻璃窗情形，由傳熱過程計算式：(2)單層玻璃窗情形：顯然，單層玻璃竊的散熱量是雙層玻璃窗的2.6倍。因此，北方的冬天常常采用(ciyng)雙層玻璃窗使室內保溫。10.某工廠(gngchng)用的無縫鋼管(w fng n un)輸送水蒸氣。為了減少沿途的熱損失，在管外包兩層絕熱材料，第一層為厚30mm

28、的礦渣棉，其熱導率為；第二層為厚30mm的石棉灰，其熱導率為。管內壁溫度為300，保溫層外表面溫度為50，管路長40m。試求該管路的散熱量。解：根據題意，畫出鋼管保溫層的示意圖 = 273.1W/m 11.已知：外徑為100mm的鋼管橫穿過室溫為27的大房間，管外壁溫度為100，表面發(fā)射率為0.85，已知空氣物性： kgm3， w(mK)， m2s，空氣的Pr=0.695，求：單位管長上的熱損失。提示：空氣自然對流Nu = 0.48(GrPr)0.25，解：向環(huán)境的輻射散熱損失；定性(dng xng)溫度 ， ，每米管長上的熱損失(snsh)為。12.例題(lt)3-4掌握圖3-7,3-8,3-9的用法13. 用熱電偶來測量管內流動著的熱空氣溫度，如圖。熱電偶測得溫度t1=400，管壁由于散熱測得溫度t2350，熱電偶頭部和管壁的發(fā)射率分別為0.8和0.7。從氣流到熱電偶頭部的對流表面?zhèn)鳠嵯禂禐?5W/(m2K)。試計算由于熱電偶頭部